一種新型便攜式差壓氣密性檢測儀的設計

李新春，陳俊霏，王 娜

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島125105)

一種新型便攜式差壓氣密性檢測儀的設計

李新春，陳俊霏，王 娜

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島125105)

設計了基于差壓檢測原理的以S3C2440處理器為控制核心的氣密性檢測儀，介紹了該檢測儀的工作原理、軟硬件構成和系統(tǒng)性能等。通過電磁閥的自動控制功能實現(xiàn)了一定容積和壓力下密封器件的自動檢測。數(shù)據(jù)處理過程中使用了模糊綜合評判方法，判斷并分析了被測器件的氣密性。

ARM9；微差壓；A/D驅動；放大器

現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷進步，對檢測手段提出了越來越高的要求，氣密性檢測作為檢測方式的一種，在保證產(chǎn)品質量等方面起著越來越重要的作用。對嚴格要求密封性的產(chǎn)品來說，如果在使用過程中發(fā)生泄漏且泄漏量超過了允許范圍，將直接影響產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性等，還可能引起火災、爆炸、有害氣體溢出等嚴重后果，引發(fā)不可挽回的損失[1]。如何快速高精度地檢測泄漏量，一直是相關企業(yè)關注且急待解決的問題。國內現(xiàn)有且常用的氣密性檢測方法主要有以下幾種[2]：水檢法、流量測量法、氦氣法、直壓式檢測法及差壓式檢測法等。由于差壓式檢測法檢測速度快且精度高，在此采用差壓式檢測法，并結合嵌入式開發(fā)平臺設計了一款輕巧可攜帶的氣密性檢測儀。

1 檢測原理與系統(tǒng)氣路實現(xiàn)

差壓式檢測儀的基本檢測原理與化學實驗中所用的天平如出一轍。在該檢測方法中引入了一個標準的對比器件，使用精密對稱的檢測氣路進行測量。在檢測過程中，通過對稱氣路同時向兩個器件內充入一定壓力的氣體。當被檢測器件出現(xiàn)泄漏時，兩個器件間的差壓傳感器就能夠檢測出被測器件與標準器件之間的壓力差值，之后經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，計算出泄漏量。

為計算泄漏量，根據(jù)玻意耳—馬略特定律可知，被測器件內的氣壓值的變化為[2]：

式中，P1為被測器件在測試前的壓力值，Pt為被測器件在測試后的壓力值，P0為標準大氣壓力,Vt為被測器件內氣體占有的容積，△VL為標準狀態(tài)下泄漏氣體的容積。

由于標準器件是密封的，可認為壓力是不變的，即：

式中，Pm為基準容器內的壓力。

假設兩器件的容積是相同的,則可以得到如下等式：

由于泄漏產(chǎn)生的壓力降在測試壓力范圍內的變化與時間的關系可以認為是成比例的，因此氣體的體積泄漏量為：

綜上，已知被測容器的容積Vt，只要測出大氣壓力P0及檢測容器的泄漏壓力差△P和測試時間△t，就可以求出被測容器的泄漏量。

系統(tǒng)的氣路實現(xiàn)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)主要由中央處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調理模塊、電磁閥控制和聲光報警模塊、電源模塊和人機交互等模塊構成。氣密性檢測儀的硬件設計框圖如圖2所示。

2.1 中央處理模塊

該部分為整個系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是通過ARM9主控制器實現(xiàn)對各個閥門的開關控制，同時利用傳感器將系統(tǒng)各個階段的氣壓信號、溫度信號等轉變成電壓信號，再由ARM9主控器通過A/D接口完成信息的采集，并完成最后的數(shù)據(jù)處理，進而實現(xiàn)一次完整的差壓式氣密性檢測。本系統(tǒng)ARM9主控制器采用三星公司開發(fā)的S3C2440為主處理器。S3C2440微處理器為手持數(shù)碼設備和一般類型應用提供了低功耗、低價格、高性能微控制器的解決方案。S3C2440集成了豐富的內部設備，從而降低了整體系統(tǒng)成本。S3C2440基于ARM920T內核,采用了新的總線架構AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture),實現(xiàn)了 AMBA BUS、MMU 和Harvard高速緩沖體系結構，這一架構具有獨立的16 KB數(shù)據(jù)cache和16 KB指令cache。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該部分主要負責各種環(huán)境變量的采集工作，包括標準器件和被測器件之間的差壓值、被測器件的絕對氣壓值和外部的環(huán)境溫度值等。

選用SM5651/SM5652系列微壓量程是0.15 psi的SM5651微差壓壓力傳感器來檢測標準器件與被測器件之間的氣壓差值。它具有如下特性[3]：信號輸出與差壓值成正比，在滿量程輸出時最大可達到75 mV；芯片的遲滯性為±0.65%FS，線性度為±2.5%FS，靈敏度匹配性為±5.0%FS；采用恒流源激勵，溫度補償范圍在 0～60°，跨度校準正高達2%，有零點校準及溫度補償。

被測器件的絕對氣壓值是需要測量的另一個重要參量，在此選用NovaSensor的NPI系列量程是15 psi的NPI-19型壓力傳感器。它具有如下特性：固態(tài)傳感器的高可靠性；信號輸出與氣壓值成正比，在滿量程輸出時最大可達到100 mV;具有1.0 mA激勵電流下100 mV FSO的高靈敏度,典型線性度為0.1%FS,典型的熱準確度為0.2%FSO；采用1mA的恒流源激勵，溫度補償范圍在 0～70°，有零點校準及溫度補償。

此外，由于微小的環(huán)境溫度變化也會影響到測試系統(tǒng)的差壓值的絕對值，所以需對外部環(huán)境溫度進行實時的檢測。本系統(tǒng)選用了DS18B20溫度傳感器，主要是因其具有成本低、外圍電路簡單和調試維護方便的特點。DS18B20連入ARM9主控器的通用I/O端口GPF0，ARM9主控制器可直接控制DS18B20進行溫度采集。

2.3 信號調理模塊

標準器件和被測器件之間的氣壓差信號經(jīng)過微差壓傳感器SM5651采集以及被測器件的絕壓信號經(jīng)過NPI-19型壓力傳感器后采集得到的微弱的電流信號，都不適宜直接進行模數(shù)轉換處理，需要通過信號調理電路對其進行放大，并把電流信號轉換為電壓信號，才能提供給ARM主控制器的模數(shù)轉換電路做進一步的數(shù)據(jù)處理。由此，采用 Analog Microelectronics GmbH（AMG）公司提供的電壓轉換集成電路AM401來實現(xiàn)信號的處理。AM401是一個帶有附加功能和電路保護功能的信號放大集成電路，具有極性保護和輸出短路保護功能，又可以輸出幾乎為零的零點信號。很少的外圍元器件使電路板的設計很快就可完成[4]。本系統(tǒng)的信號調理電路如圖3所示。

2.4 電磁閥控制和聲光報警模塊

電磁閥控制部分的主要作用是通過控制電磁閥的自動開啟和關閉，從而控制氣流的通過和阻斷，實現(xiàn)測試過程的自動化，是控制系統(tǒng)檢測參數(shù)的重要組成部分[5]。聲光報警部分是用戶能夠準確操作的重要保證。當泄漏量超出設定的壓差閾值，ARM主控制器則會發(fā)送報警命令啟動聲光報警。

2.5 電源模塊和人機交互模塊

差壓傳感器SM5651和絕壓傳感器NPI-19使用的是電流源，由信號調理電路中的AM401芯片提供，電流大小可以通過圖3中的電阻RSET和RISET調整。而AM401本身是+12 V電壓源供電,在電磁閥驅動電路中需要+24 V電壓源，ARM主控制器部分需要+5 V電壓源供電。因此，選用 W7824、W7812及W7805電壓轉換模塊設計+24 V、+12 V和+5 V電源模塊電路。

系統(tǒng)采用液晶顯示與觸摸屏接口作為人機交互模塊，使得輸入和輸出操作簡單直觀。

3 系統(tǒng)的軟件設計

Linux是一個成熟而穩(wěn)定的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，它的源代碼完全免費開放，使系統(tǒng)的整體開發(fā)、維護費用很低，因此選用嵌入式Linux作為ARM主控制器的操作系統(tǒng)。Linux同時又是一個可定制的操作系統(tǒng)，其內核最小只有約134 KB，適合在嵌入式系統(tǒng)上運行。

首先，搭建嵌入式開發(fā)平臺基本環(huán)境,主要包括Linux-2.6.32的裁剪與移植、根文件系統(tǒng)的制作、Qtopia2.2.0移植、觸摸屏驅動程序及嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3的移植等。然后，編寫相關驅動程序，主要涉及到ADC驅動、LCD驅動以及DS18B20驅動程序。這部分是開發(fā)氣密性檢測儀平臺的基礎，為接下來的應用程序開發(fā)做好了準備。

4 應用程序設計

氣密性檢測儀的整體軟件流程圖如圖4所示。

差壓式氣密性檢測儀的基本操作步驟主要包括充氣階段、平衡階段、檢測階段和放氣階段。在設計氣密性檢測儀時采集的信號有模擬信號（如壓差信號）和數(shù)字信號。對于采集到的數(shù)據(jù)，不但需要存儲到數(shù)據(jù)庫中，在LCD屏上顯示被測器件和標準器件之間在各個檢測時期的氣壓差值的實時數(shù)據(jù)曲線。而且，最終還要對數(shù)據(jù)進行一定的加工處理，把處理后的判斷結果提供給用戶，為用戶提供寶貴意見。

4.1 人機交互界面設計

Qt/Embedded是面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。在宿主機上使用Qtopia2.2.0編寫人機交互界面，再將其移植到ARM9主控平臺上。

氣密性檢測儀是精密儀器，盡管其操作簡單，但是非法的誤操作容易使傳感器的檢測精度受到影響，甚至直接損壞傳感器。因此，系統(tǒng)設計了登錄界面，主要是對檢測儀的使用權限進行管理。當系統(tǒng)驗證通過后就可以自動跳轉到檢測儀的參數(shù)設置界面。在氣密性檢測儀的工作過程中，如果把標準器件和被檢測器件之間的氣壓微差壓值變化用數(shù)據(jù)曲線的形式表現(xiàn)出來，就更進一步加強了氣密性檢測的準確度，給用戶提供了更加直觀有效的數(shù)據(jù)形式。因此，設計的人機交互界面共分為4個子界面，它們分別是：登錄界面、參數(shù)設置界面、實時曲線顯示界面及最終結果顯示界面。

4.2 數(shù)據(jù)處理

針對被測器件是否滿足氣密性要求、是否可用，需要把檢測到的各種數(shù)據(jù)進行匯總處理。該數(shù)據(jù)處理過程采用模糊綜合評判方法實現(xiàn)。模糊綜合評判方法是以模糊數(shù)學理論為基礎，是對具有多種屬性的事物整體優(yōu)劣進行評判，或者說某事物總體優(yōu)劣受多種因素影響，難以直接用準確的定性語言進行評估時，可以考慮一種能合理地綜合這些屬性或因素的整體評判方法。

在系統(tǒng)調試過程中，選擇0.06 MPa氣壓的空氣作為檢測介質，4 L的潛水泵氣囊作為密封容器并對其進行氣密性能檢測。測試結果如表1所示。

表1 產(chǎn)品的泄露測試數(shù)據(jù)

對得到的含差壓值、絕壓值、環(huán)境溫度及溫差的以上8組測試數(shù)據(jù)進行模糊綜合評價得到模糊綜合評價矩陣為：

根據(jù)經(jīng)驗及其大量的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出檢測結果評判的權重集為：

由此得出綜合評定結果（綜合評價向量）為：

根據(jù)最大隸屬度原則，可得出該待測器件的氣密性為合格。

4.3 數(shù)據(jù)庫的設計

由于每次測量系統(tǒng)都記錄了大量的數(shù)據(jù)，如差壓壓力值、環(huán)境溫度值及檢測結果等，這些數(shù)據(jù)都可以保存到數(shù)據(jù)庫SQLite3中，方便用戶日后使用。數(shù)據(jù)庫SQLite3功能強大、接口簡單、體積小、速度快。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫版本是sqlite-3.5.9。首先建立1個名為chen.db的SQLite數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中有5個數(shù)據(jù)表：1個user表，用來存儲該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理者信息，保證系統(tǒng)的安全性；1個parameter表,用來存儲檢測參數(shù)信息；1個pressdate表，用來存儲采集到的氣壓信息；1個pressdif表，用來存儲采集的壓差信息；1個temperature表，用來存儲溫度信息。這些存儲的數(shù)據(jù)不僅提供給ARM9主控制器做后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，還可以提供給用戶做數(shù)據(jù)考察和總結使用。

5 系統(tǒng)測試與性能分析

為驗證整個系統(tǒng)的正確性，采用白盒測試和黑盒測試兩者相結合的方式進行儀器性能的測試，以驗證整個系統(tǒng)的正確性。首先是驗證系統(tǒng)各部分單獨工作是否正常，包括信號調理、ADC、數(shù)據(jù)庫 SQLite3數(shù)據(jù)存儲以及最終波形顯示等部分，其次驗證系統(tǒng)在整體工作時的性能。測試結果表明，本系統(tǒng)設計的便攜差壓式氣密性檢測儀操作簡單、穩(wěn)定性好、精度高，通過ARM硬件平臺和Linux操作系統(tǒng)的結合控制，提高了檢測速度，同時達到了便攜性的要求、小巧實用，具有廣闊的應用前景。

[1]彭光正,紀春華,葛楠.氣密性檢測技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機床與液壓,2008(11):172-174.

[2]林引.密閉容器氣密性檢測方法的仿真研究及應用[D].重慶:重慶大學,2007:19-20.

[3]Silicon Microstructures Inc.SM5651/SM5652 data sheet[Z].2008.

[4]Analog Microelectronics.AM401data sheet[Z].2001.

[5]陳宇,林敏,郭斌.差壓氣密性檢測儀設計與實現(xiàn)[J].中國計量學院學報,2009(4):311-314.

Design of a novel portable differential pressure air tightness detector

Li Xinchun,Chen Junfei,Wang Na
（School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

The air tightness detector is designed based on the principle of differential pressure test choosing S3C2440 processor as the core to control.The working principle,software and hardware structure,system performance,etc are introduced.Realizing airproof component′s automatic detection under certain pressure and cubage is realized through the electromagnetic valve automatic control function.In the data processing,fuzzy comprehensive evaluation method is used to judge and analysis the results tested.

ARM9；differential pressure;A/D drive;amplifier

TP216

A

0258-7998(2012)03-0092-04

2011-11-16)

李新春，男，1963年生，高級工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用及無線傳感器網(wǎng)絡。

陳俊霏，女，1988年生，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用。

王娜，女，1985年生，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用。